Die Windkraftanlage. Lehrhinweise. Wissenschaft Energiespeicherung Energieumwandlung Wissenschaftliche Untersuchungen

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1 Die Windkraftanlage Wissenschaft Energiespeicherung Energieumwandlung Wissenschaftliche Untersuchungen Konstruktion und Technik Verbesserung durch geschicktes Konstruieren Komponenten zusammenbauen Konstruktionen bewerten Technische Theorie Konzept- und Entwicklungsarbeit Energie erfassen Variable Einflussgrößen untersuchen und bewerten Mathematik Wege messen Messwerte ablesen Wortschatz Wirkungsgrad Leistung Spannung Wattzahl Erforderliches Zusatzmaterial Klebeband Ventilator mit mindestens 40 W Leistung Meterstab oder Maßband 45

2 Themaeinführung Windkraftanlagen können die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandeln. Sie werden zur Stromerzeugung für große Versorgungsnetze und an abgelegenen Orten eingesetzt, z. B. auf Bauernhöfen. Baue nun die Windkraftanlage auf, und finde heraus, wie viel Strom erzeugt. 46

3 35 Die Windkraftanlage Aufbau Baue die Windkraftanlage auf (Bauanleitungsheft 3A und 3B, bis Seite 43, Schritt 18) 3A Überprüfe die Funktion des Modells. Eventuell kann Reibung durch leichtes Lösen der Lager vermindert werden. Drücke die Anschlüsse fest zusammen, damit gute elektrische Verbindungen entstehen. Achte darauf, die Joule-Anzeige (J) vor jedem Versuch auf Null zurückzusetzen. 30 cm Versuchsaufbau Richte die Mitte des Ventilators auf die Mitte der Windkraftanlage, und lasse zwischen beiden 30 cm Abstand. Stelle am Ventilator eine Leistungsstufe ein, die die Windkraftanlage mit einer geeigneten Geschwindigkeit laufen lässt, so dass der Energiemesser mehr als 2,0 V Eingangsspannung anzeigt. Der Ventilator muss mindestens 40 W Leistung haben. Die optimale Einstellung und Position findest du, wenn du beim Aufstellen auf die Messwerte des Energiemessers achtest. Die Standsicherheit der Windkraftanlage spielt eine wichtige Rolle und kann mit Klebeband oder Büchern erhöht werden. Falls erforderlich, können die Schüler den Rotor zum Start leicht andrehen. Achtung! Ventilatoren können gefährlich sein. Die Lehrkraft sollte die Schüler zum sorgsamen Umgang mit dem Ventilator anleiten. Wenn die Anzahl der Rotorblätter während der Versuchsreihen verändert wird, muss der Ventilator abgeschaltet werden. 47

4 Beobachtung Sechs Rotorblätter und verschiedene Entfernungen Bei dieser Aufgabe sollen die Schüler die Leistung der Windkraftanlage in verschiedenen Positionen testen, die Messwerte ablesen und dann die durchschnittlich erzeugte Spannung (Einheit V) und die durchschnittlich erzeugte Leistung (Einheit W) aufzeichnen. Lassen Sie die Schüler zunächst eine Voraussage über die Spannung und die Leistung treffen, welche die Windkraftanlage bei einem Abstand von 30 cm abgibt. Anschließend lassen Sie die Schüler ihre Prognose im Versuch überprüfen. Sie sollen die abgegebene Durchschnittsspannung und Durchschnittsleistung der Windkraftanlage ablesen. Lassen Sie die Schüler ihre Ergebnisse ablesen und aufzeichnen. Anschließend sollen die Schüler den Ventilator abschalten und den Abstand auf 15 cm verringern. Dann werden die Schritte wiederholt. Schon gewusst? Die Rotorblätter einer Windkraftanlage können sich um eine horizontale oder um eine vertikale Achse drehen. Meistens werden Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse eingesetzt. Hinweis Setze die Energiemessung vor jedem neuen Versuch zurück. Die Ergebnisse werden unterschiedlich ausfallen. Die Schüler werden feststellen, dass die Leistung zunimmt, wenn sich die Windkraftanlage näher an der Windquelle befindet. Regen Sie die Schüler dazu an, über ihre Untersuchungen nachzudenken. Fragen Sie zum Beispiel: Aufgrund welcher Annahmen hast du deine Voraussagen getroffen? Kannst du deine Ergebnisse erklären? Lassen die Ergebnisse ein bestimmtes Muster oder einen Zusammenhang erkennen? Je näher sich die Windkraftanlage am Ventilator befindet, desto mehr Leistung gibt sie ab. Was hast du unternommen, um die wissenschaftliche Gültigkeit deiner Ergebnisse sicherzustellen? Die Schüler müssen jeden Versuch mehrmals durchführen, um ein genaues Ergebnis sicherzustellen. Die Windkraftanlage muss bei gleichen Versuchen immer gleich ausgerichtet und vom Ventilator gleich weit entfernt sein. 48

5 Ausbau Drei Rotorblätter und verschiedene Entfernungen (Bauanleitungsheft 3A und 3B, bis Seite 44, Schritt 1) Bei dieser Aufgabe sollen die Schüler die Leistung der Windkraftanlage in verschiedenen Positionen testen, die Messwerte ablesen und dann die durchschnittlich erzeugte Spannung (Einheit V) und die durchschnittlich erzeugte Leistung (Einheit W) aufzeichnen. Hinweis Weisen Sie die Schüler an, vor der Änderung der Rotorblattanzahl den Ventilator abzuschalten. Lassen Sie die Schüler zunächst eine Voraussage über die Spannung und die Leistung treffen, welche die Windkraftanlage bei einem Abstand von 30 cm abgibt. Anschließend lassen Sie die Schüler ihre Prognose im Versuch überprüfen. Sie sollen die abgegebene Durchschnittsspannung und Durchschnittsleistung der Windkraftanlage ablesen. Lassen Sie die Schüler ihre Ergebnisse ablesen und aufzeichnen. Hinweis Setze die Energiemessung vor jedem neuen Versuch zurück. Anschließend sollen die Schüler den Ventilator abschalten und den Abstand auf 15 cm verringern. Dann werden die Schritte wiederholt. Die Ergebnisse werden unterschiedlich ausfallen. Die Schüler werden feststellen, dass die Leistung zunimmt, wenn sich die Windkraftanlage näher an der Windquelle befindet. Sie werden außerdem zu dem Ergebnis gelangen, dass Windkraftanlagen mit sechs Rotorblättern mehr Leistung erzielen. Variable Einflussgrößen Die Schüler sollen mindestens drei variable Einflussgrößen finden, von denen die Leistung der Windkraftanlage abhängt, diese aufschreiben und die Zusammenhänge erklären. Als maßgebliche Faktoren könnten die Anzahl der Rotorblätter, der Winkel zwischen Ventilator und Windkraftanlage und die Stärke des Windes genannt werden. Der Wirkungsgrad des Generators spielt für die Gesamteffizienz der Windkraftanlage eine wichtige Rolle. 49

6 Optional Lassen Sie die Schüler verschiedene landschaftliche Rahmenbedingungen simulieren und untersuchen, ob dabei die Leistungsfähigkeit der Windkraftanlage vermindert oder erhöht wird. Dazu kann beispielsweise ein Buch zwischen Ventilator und Windkraftanlage aufgestellt werden. Lassen Sie die Schüler ihre Simulationen, ihre Versuchsaufbauten und ihre wichtigsten Messergebnisse beschreiben, z. B. die Entfernung zwischen Ventilator und Windkraftanlage oder die Aufbauhöhe. 50